孫恒群 張秀俊

【摘要】醫(yī)用離心機(jī)是應(yīng)用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的離心力和浮力密度的差異，進(jìn)行分離和提純生物樣品中各成分的處理裝置。醫(yī)用離心機(jī)的轉(zhuǎn)速是反映醫(yī)用離心機(jī)質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)。本文通過(guò)對(duì)醫(yī)用離心機(jī)以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，應(yīng)用多普勒效應(yīng)和非接觸式激光技術(shù)研制一種用于醫(yī)用離心機(jī)的轉(zhuǎn)速校準(zhǔn)的裝置，并對(duì)其校準(zhǔn)方法進(jìn)行了研究，以期對(duì)醫(yī)用離心機(jī)的轉(zhuǎn)速參數(shù)進(jìn)行有效溯源，保障在用醫(yī)用離心機(jī)的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)準(zhǔn)確可靠，臨床應(yīng)用安全有效。

【關(guān)鍵詞】醫(yī)用離心機(jī)；校準(zhǔn)；多普勒效應(yīng)；非接觸式激光

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.05.023

Research on a High-speed Medical Centrifuge Speed Calibration Device and Calibration Method

SUN Hengqun， ZHANG Xiujun*

（Yancheng Measurement and Testing Institute， Yancheng 224000， China）

Abstract： Medical centrifuge a processing device for separating and purifying components of biological samples using the difference between centrifugal force and buoyancy density of rotating motion. The speed of medical centrifuge is an important technical index to reflect the quality of medical centrifuge. In this paper， through the study of medical centrifuge and related standards， the application of Doppler effect and non-contact laser technology to develop an optical speed detection device for medical centrifuge， and its calibration method was studied， in order to be used to trace the rotational speed parameters of medical centrifuge effectively， to ensure the accuracy and reliability of the relevant technical indicators of medical centrifuge in use. It is safe and effective in clinical application.

Key words： medical centrifuge； calibration； Doppler effect； non-contact laser

醫(yī)用離心機(jī)是在醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)中，作為分離血清、血漿、沉淀蛋白質(zhì)或尿沉渣檢查的儀器設(shè)備。它可使混合液中的懸浮微?？焖俪恋?，進(jìn)而分離比重不同的各種物質(zhì)的成分[1]。醫(yī)用離心機(jī)的工作原理是在相同轉(zhuǎn)速下，不同密度、不同顆粒的物質(zhì)在離心力作用下分離，其分離程度和離心機(jī)轉(zhuǎn)速直接相關(guān)。隨著醫(yī)療和生物科技的不斷發(fā)展，醫(yī)用離心機(jī)正向著高速、高精度方向發(fā)展，因此對(duì)轉(zhuǎn)速、噪聲、時(shí)間和溫度等相關(guān)技術(shù)參數(shù)的要求越來(lái)越嚴(yán)格。醫(yī)用離心機(jī)質(zhì)量性能的優(yōu)良直接關(guān)系醫(yī)院或醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的樣本分離和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示結(jié)果，因此醫(yī)用離心機(jī)的校準(zhǔn)工作具有重大的意義[2]。

由于實(shí)驗(yàn)室對(duì)醫(yī)用離心機(jī)轉(zhuǎn)速的要求不同，所以選擇的醫(yī)用離心機(jī)也不同。根據(jù)轉(zhuǎn)速醫(yī)用離心機(jī)可分為常速醫(yī)用離心機(jī)、高速醫(yī)用離心機(jī)和超高速醫(yī)用離心機(jī)三種，其對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)如表1所示。在醫(yī)用離心機(jī)的眾多檢測(cè)參數(shù)中，轉(zhuǎn)速是衡量醫(yī)用離心機(jī)分離性能的重要指標(biāo)之一[3]。我國(guó)醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY/T 0657—2017《醫(yī)用離心機(jī)》和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10901—2005《離心機(jī)性能測(cè)試方法》對(duì)醫(yī)用離心機(jī)的轉(zhuǎn)速參數(shù)作出了比較詳細(xì)的規(guī)定。

傳統(tǒng)的測(cè)量醫(yī)用離心機(jī)的方法有很多，如使用轉(zhuǎn)速儀、手持式紅外線傳感器、光電式傳感器、磁電式傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速[4-5]。使用上述方法對(duì)醫(yī)用離心機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量一方面限制了可測(cè)量的離心機(jī)種類，需要醫(yī)用離心配備觀測(cè)孔或開(kāi)蓋測(cè)量，另一方面在離心機(jī)內(nèi)部黏貼磁電傳感器會(huì)留下較大的安全隱患。同時(shí)，這些測(cè)量方法也會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)重復(fù)率低、誤差大、測(cè)量范圍小等問(wèn)題[6-7]。

對(duì)通用醫(yī)用離心機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，難點(diǎn)在于不改變醫(yī)用離心機(jī)原有結(jié)構(gòu)，并在正常工作條件下對(duì)其轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量。因此，本文針對(duì)超高速醫(yī)用離心機(jī)轉(zhuǎn)速校準(zhǔn)設(shè)計(jì)了一種基于多普勒效應(yīng)的非接觸式激光檢測(cè)裝置，提高了對(duì)超高速醫(yī)用離心機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量的準(zhǔn)確度。

1設(shè)計(jì)技術(shù)原理

多普勒效應(yīng)測(cè)振法已是當(dāng)前最為普及、最易實(shí)現(xiàn)且精度較高的測(cè)振方法。它是通過(guò)測(cè)量激光探頭的示蹤粒子的多普勒信號(hào)，再根據(jù)速度與多普勒頻率的關(guān)系實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的測(cè)量。該測(cè)量方法無(wú)須干涉儀組件，裝配容易。由于被測(cè)物體振動(dòng)速度矢量與多普勒頻移呈線性關(guān)系，該方法也適于各種復(fù)雜的物體運(yùn)動(dòng)測(cè)量[8]。

現(xiàn)有多普勒測(cè)速設(shè)備多為測(cè)量直線運(yùn)動(dòng)的速度而設(shè)計(jì)。由于醫(yī)用離心機(jī)設(shè)備的轉(zhuǎn)筒位于離心機(jī)內(nèi)側(cè)腔體中，直接對(duì)離心機(jī)設(shè)備的轉(zhuǎn)筒進(jìn)行檢測(cè)校準(zhǔn)時(shí)只能檢測(cè)轉(zhuǎn)筒內(nèi)腔，這就需要激光傾斜射入轉(zhuǎn)筒的內(nèi)腔。但每種離心機(jī)的轉(zhuǎn)筒直徑和深度都不同，這便對(duì)激光直接照射轉(zhuǎn)筒產(chǎn)生了一定的阻礙，故而需要采用激光多普勒轉(zhuǎn)速校準(zhǔn)裝置。

激光測(cè)振傳感器借助激光的方向性、單色性、相干性等優(yōu)良特性，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高精度的測(cè)量。激光測(cè)振傳感器無(wú)需將機(jī)械器件安裝在被測(cè)物體的振動(dòng)表面，從而完全避開(kāi)傳感器的附加質(zhì)量而帶來(lái)的影響。它可以穿過(guò)窗口或水進(jìn)行若干米以外的振動(dòng)測(cè)量，因而測(cè)量距離更遠(yuǎn)。相比接觸式測(cè)振方法，激光測(cè)振這類非接觸式的振動(dòng)測(cè)量傳感器具有范圍廣、精度高、測(cè)量距離遠(yuǎn)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)[9]。

本文所采用激光多普勒效應(yīng)測(cè)量離心機(jī)的振動(dòng)，通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，然后再對(duì)所采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析處理，以鑒別旋轉(zhuǎn)機(jī)械的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。采用微型激光測(cè)振傳感器測(cè)量離心機(jī)振動(dòng)頻率，編制專用上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)離心機(jī)轉(zhuǎn)速的在線測(cè)量。在離心機(jī)不開(kāi)蓋正常工作條件下，將激光束對(duì)準(zhǔn)離心機(jī)外壁，通過(guò)激光多普勒效應(yīng)就可以采集到離心機(jī)的振動(dòng)頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)離心機(jī)轉(zhuǎn)速的非接觸式測(cè)量。本文研制的基于多普勒效應(yīng)的非接觸式激光檢測(cè)裝置可以解決所有種類離心機(jī)轉(zhuǎn)速的高精度測(cè)量。

2檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

非接觸式激光多普勒醫(yī)用離心機(jī)轉(zhuǎn)速校準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

校準(zhǔn)裝置殼體的內(nèi)側(cè)設(shè)有調(diào)控腔，調(diào)控腔的一端設(shè)有安裝腔二，另一端設(shè)有安裝腔三。其中安裝腔三的里側(cè)設(shè)置連接發(fā)射器的氦氖激光器。安裝腔二的里側(cè)依次設(shè)有半波片一和聲光調(diào)制器。安裝腔二一端有漏斗形的腔體，腔體和安裝腔三直接連通。安裝腔三的底端插接有風(fēng)冷機(jī)構(gòu)。調(diào)控腔的里側(cè)依次設(shè)有反射鏡一、反射鏡二、半波片二和透鏡一。其中，反射鏡一和半波片二都位于調(diào)控腔的頂部并和調(diào)控腔的內(nèi)壁轉(zhuǎn)動(dòng)連接，半波片二設(shè)在透鏡一和反射鏡一之間，反射鏡二位于調(diào)控腔的中部位置。調(diào)控腔內(nèi)壁的底部設(shè)有出氣槽，其中出氣槽的里側(cè)設(shè)置透鏡二和光電接收器。光電接收器安設(shè)于一個(gè)支架上，支架固定在出氣槽的內(nèi)側(cè)，出氣槽的底端插接著濾網(wǎng)一。調(diào)控腔遠(yuǎn)離安裝腔二的一端設(shè)有連通槽。殼體位于半波片二附近的位置安設(shè)水平蓋，殼體遠(yuǎn)離連通槽的位置對(duì)應(yīng)安放著檢測(cè)柱體。利用檢測(cè)柱體和連動(dòng)套的使用，使檢測(cè)柱體與離心機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)筒連動(dòng)，進(jìn)而可以在離心機(jī)的外側(cè)檢測(cè)柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，且檢測(cè)柱體的半徑是已知的，不需要知曉轉(zhuǎn)筒的內(nèi)徑便可對(duì)轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)，從而大大方便了檢測(cè)結(jié)構(gòu)的計(jì)算。通過(guò)測(cè)量檢測(cè)柱體的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)離心機(jī)內(nèi)的轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速進(jìn)行非接觸式測(cè)量，然后以測(cè)得的轉(zhuǎn)速為依據(jù)對(duì)離心機(jī)內(nèi)的轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)速進(jìn)行校準(zhǔn)。

安裝腔二的底端預(yù)留溝通外界的安裝口，安裝腔二的安裝口接有密封板。風(fēng)冷機(jī)構(gòu)包括風(fēng)冷座、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、氣流發(fā)生槽、過(guò)濾網(wǎng)一和風(fēng)扇葉片。其中，風(fēng)冷座的內(nèi)側(cè)設(shè)有氣流發(fā)生槽，氣流發(fā)生槽的底端設(shè)有過(guò)濾網(wǎng)一，風(fēng)冷座的里側(cè)安設(shè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋桿連接有風(fēng)扇葉片。安裝腔二內(nèi)側(cè)靠近聲光調(diào)制器的位置設(shè)有斜置的導(dǎo)氣片。風(fēng)冷機(jī)構(gòu)產(chǎn)生氣流依次通過(guò)安裝腔三、安裝腔二和調(diào)控腔，從出氣槽處排出，使安裝腔三、安裝腔二、出氣槽和調(diào)控腔內(nèi)的結(jié)構(gòu)得到冷卻。氣流發(fā)生槽的里側(cè)安設(shè)若干個(gè)干燥球，干燥球的里側(cè)有碳粉顆粒和氯化鈣顆粒，干燥器上部有若干個(gè)小孔洞，小孔洞的直徑為0.03～0.05 mm。碳粉顆粒和氯化鈣顆粒可使進(jìn)入調(diào)控腔內(nèi)的空氣得到凈化和干燥。

殼體的一端設(shè)置有鉸接座，鉸接座上鉸接水平蓋，鉸接座的一端固定連接著止位桿，止位桿水平安設(shè)。其中水平蓋靠近鉸接座的一端開(kāi)設(shè)有卡接槽，卡接槽和止位桿可變動(dòng)連接，另一端設(shè)置有限位桿，水平蓋的一側(cè)安設(shè)著水平承接板，水平承接板的一端開(kāi)設(shè)有限位槽，限位槽和限位桿使用滑動(dòng)連接，限位桿的形狀為梯形柱，限位桿上安設(shè)著檢測(cè)柱體。水平承接板為離心機(jī)、檢測(cè)柱體提供穩(wěn)定的水平平臺(tái)，使離心機(jī)和檢測(cè)柱體能夠被快速、穩(wěn)定地放置。透鏡一安設(shè)于安裝座的內(nèi)側(cè)，安裝座的外側(cè)設(shè)有橡膠密封圈，安裝座的頂端設(shè)有滑塊，調(diào)控腔的頂端設(shè)有滑動(dòng)道，滑動(dòng)道的內(nèi)側(cè)和滑塊活動(dòng)連接。殼體的里側(cè)設(shè)置有伺服電機(jī)，伺服電機(jī)的旋桿固定連接絲桿，絲桿的外側(cè)和滑塊螺紋連接。絲桿和滑塊配合可使透鏡一和調(diào)控腔的相對(duì)位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3檢測(cè)方法

激光多普勒轉(zhuǎn)速校準(zhǔn)裝置采用差動(dòng)激光多普勒原理，設(shè)檢測(cè)柱體切線方向的速度為V。1級(jí)和0級(jí)線路的頻率分別為F1和F1+F2。F2為聲光調(diào)制器的調(diào)制頻率，經(jīng)過(guò)透鏡一后的夾角為A，它們與切線方向的夾角分別為a1和a2，觀測(cè)方向與切線方向的夾角為a3。

測(cè)量光路采用了差動(dòng)激光多普勒原理，發(fā)射器輸出激光進(jìn)入40 MHz聲光調(diào)制器后，由于反常布拉格衍射輸出頻率相差40 MHz且強(qiáng)度大致相同，振動(dòng)方向相互垂直的0級(jí)和1級(jí)衍射光，在1級(jí)衍射光光路中加入半波片二，調(diào)節(jié)方位使其快軸與1級(jí)衍射光的振動(dòng)方向成45°，使其偏振方向改變90°，從而使兩束光的偏振方向相互平行；調(diào)節(jié)反射鏡一使兩束光平行，1級(jí)和0級(jí)兩束光經(jīng)過(guò)透鏡一時(shí)偏轉(zhuǎn)，匯聚到正在轉(zhuǎn)動(dòng)的檢測(cè)柱體的表面，再用透鏡一和反射鏡二來(lái)收集此表面散射的部分差拍光信號(hào)，并用透鏡二將此差拍信號(hào)匯聚到光電接收器的光敏面上；光電接收器產(chǎn)生的電壓信號(hào)先通過(guò)硬件電路進(jìn)行預(yù)處理，兩級(jí)放大電路進(jìn)行信號(hào)放大，然后通過(guò)帶通濾波器濾波之后，與從聲光調(diào)制器出來(lái)的光對(duì)比運(yùn)算。

信號(hào)一起進(jìn)入相敏檢波電路，使包含物體運(yùn)動(dòng)的多普勒頻移信號(hào)與40 MHz的聲光調(diào)制器頻率分離，最后通過(guò)低通濾波器濾波。從硬件電路出來(lái)的信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡，通過(guò)LabVIEW軟件編寫(xiě)的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，最后得到測(cè)量結(jié)果。

4結(jié)束語(yǔ)

本研究擬采用激光多普勒效應(yīng)測(cè)量離心機(jī)的轉(zhuǎn)速，采用微型激光測(cè)振傳感器測(cè)量離心機(jī)振動(dòng)頻率，編制專用上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)醫(yī)用離心機(jī)轉(zhuǎn)速的非接觸式測(cè)量。該裝置可以解決所有種類離心機(jī)轉(zhuǎn)速的高精度測(cè)量。同時(shí)，該裝置的研制和測(cè)量方法的設(shè)計(jì)對(duì)于超高速醫(yī)用離心機(jī)規(guī)范的實(shí)施具有積極的作用，滿足行業(yè)對(duì)超高速醫(yī)用離心機(jī)的日常質(zhì)量檢測(cè)維護(hù)以及校準(zhǔn)需求，減少了檢測(cè)誤差。

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【作者簡(jiǎn)介】

孫恒群，男，1973年出生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榛瘜W(xué)計(jì)量。通訊作者：張秀俊，男，1970年出生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)計(jì)量，郵箱：xiujun8099@163.com。

（編輯：李加鵬）